Термодинамика биологических систем.

Министерство общего и профессионального образования
Челябинский государственный педагогический университет

С.А.Старченко

ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ
СИСТЕМ

Учебное пособие по биофизике для учащихся 11 класса

Челябинск 1997
Старченко С.А.
Термодинамика биологических систем.Учебное пособие по биофизике для учащихся 11 класса.-Челябинск : Изд-во ЧГПУ "Факел", 1997.-45 с.

ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Термодинамика - это наука о законах превращения энергии из одного вида в другой. Существование живого организма, все процессы жизнедеятельности в нем, неразрывно связаны с превращением энергии, с изменением энергетического баланса в системе: организм - окружающая среда. Раздел биофизики термодинамика биологических систем в теоретическом аспекте базируется на первом и втором законах термодинамики. Прежде чем приступать к рассмотрению этих законов на живых организмах, следует напомнить некоторые основные понятия термодинамики.

В пособии излагаются вопросы курса биофизики для учащихся общеобразовательных учебных заведений, углубленно изучающих естественно-научные дисциплины, а так же для сельских школ, рассматривающих курс биологии общеобразовательного заведения расширенного.

Рецензенты: Кузнецов А. И., доктор биологических наук, профессор Уральского государственного института ветеринар­ной медицины, Белоусов Д. Л., учитель биологии Троицкого естественно-научного лицея.

© С. А. Старченко
© Издательство ЧГПУ  Факел", 1997.

 §1. Основные физические понятия термодинамики.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Термодинамикой называется раздел физики, в котором изу­чаются закономерности тепловой формы движения материи. Термодинамика рассматривает свойства систем, в которые входят материальные объекты, объединенные по определенным признакам. Система - это совокупность материальных объектов, ограниченных каким-либо образом от окружающей среды. В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой термодинамические системы делятся на три типа.

Если система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией, то это изолированная система. Замкнутая система - система, которая может обмениваться с окружающей средой лишь энергией и не может обмениваться веществом. Открытой системой называется система, которая обменивается с окружающей средой и энергией, и веществом. Живой организм является открытой термодинамической системой.

ПОНЯТИЕ ЭНЕРГИЯ.
Энергия - это количественная мера определенного вида движения и взаимодействия материи при ее превращении из одного вида в другой. Будучи характеристикой движения материи, энергия всегда определяет способность системы совершать работу. Различают несколько видов энергии.

Механическая энергия - форма энергии, характеризующая движение макротел и способность совершать механическую работу по перемещению макротел. Механическая энергия разделяется на кинетическую, определяемую скоростью движения тел, и потенциальную, определяемую расположением макротел друг относительно друга.

Тепловая энергия представляет собой сумму кинетической энергии хаотического теплового движения всех атомов и молекул вещества. Показателем теплового движения частиц является температура. Тепловая энергия является самым обесцененным видом энергии, так как определяется хаотическим движением частиц. Все остальные виды энергии определяются более упорядоченным видом движения частиц.

Химическая энергия - энергия взаимодействия атомов в молекуле. По существу, всякая химическая энергия - это энергия электронов, движущихся по внешним орбитам атомов и молекул.

Электрическая энергия - энергия взаимодействия электрически заряженных частиц, вызывающая движение этих частиц в электрическом поле.

Энергетические превращения в организме происходят, в основном, в пределах описанных видов энергий. Для энергии справедлив закон ее сохранения. Закон сохранения энергии реализуется в изолированных системах. Однако, следует иметь ввиду, если система замкнутая или открытая, то энергия в системе может изменяться.

ПОНЯТИЕ РАБОТЫ В ТЕРМОДИНАМИКЕ.
Работа - это мера превращения энергии из одной формы в другую. Численно работы равна изменению энергии.

В живых организмах совершаются различные виды работы. Основными видами работ в организме являются химическая, механическая, осмотическая и электрическая.

Химическая работа - работа, совершаемая при синтезе высокомолекулярных соединений из низ­комолекулярных, а также при протекании химических реакций. Синтез высокомолекулярных соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) обычно требует затраты энергии, поэтому данные процессы протекают с изменением энергии и совершением работы.

Механическая работа - работа по перемещению частей и органов тела против механических сил. Механическая работа также совершается мышцами при их сокращении.

Осмотическая работа - работа по переносу различных веществ через мембраны или мембранную оболочку из области низкой концентрации этих веществ в область более высокой концентрации. Перенос осуществляется ме­ханизмами активного транспорта против сил диффузии и требует затраты энергии. Эти процессы будут рассмотрены в следующих разделах.

Электрическая работа - это работа по переносу заряженных частиц (ионов) в электрическом поле. В организме электрическая работа совершается при генерировании клетками биопотенциалов и проведении возбуждения по клеткам. Особенно большой величины этот вид работы достигает у животных, имеющих электрический орган, с помощью которого они могут поражать свою жертву. Электрический угорь например, генерирует ток 0,2 А при напряже­нии 10000 В.

Некоторые животные могут светиться в темноте. Все ткани живых организмов также испускают сверхслабое электромагнитное излучение, которое можно зарегистрировать чувствительными приборами. Свечение биологических объектов происходит за счет химической энергии клеток, поэтому данный процесс можно назвать работой по высвечиванию.

ВОПРОСЫ:
1. Что изучает термодинамика?
2. Что такое энергия?
3. Для каких систем справедлив закон сохранения энергии?
4.  Почему живой организм является открытой термодинамической системой?
5.  Какие виды энергий реализуются в живом организме?
6. Почему в живом организме совершаются  различные виды работы?
7. Какие превращения энергии происходят в живом организме?

Вернуться к списку авторских программ учителей

Сайт обновлен: 11.03.2013